一种综合性水合物模拟系统及其实验方法

摘要

本发明公开一种综合性水合物模拟系统及其实验方法，该模拟系统一般包括放置样品的负压样品腔，及连接负压样品腔的环压系统，参数测量系统，恒温系统，真空系统，气体注入系统，液体注入系统，注热系统，钻井液循环系统，回压系统，数据采集处理单元。本发明的模拟系统在能够全方位模拟天然气水合物开发，可用于我国海域天然气水合物的室内研究合成、分解天然气水合物机理，以及为掌握海域水合物试采过程中在不同开发方式、不同开发井组条件下的储层物性、温度、压力、产量变化规律等影响试采的重要敏感参数提供物理模拟方面的支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及地质领域，特别涉及一种可实现水合物单相及两相渗透率测量，水合物注气开采模拟，水合物形成和分解模拟，水合物储层钻井污染模拟等多项实验的综合性模拟系统及其实验方法。

背景技术

本世纪以来，全世界都认识到天然气水合物是一种替代常规化石燃料的清洁能源。全球已发现水合物矿藏点超过200处，以目前的能源消费趋势，仅开采15％的水合物就可供全球使用200年之久。但是，其自身形成的稳定温压条件，决定了其开采方式的特殊性，另外其开采过程中对与环境的影响还有待进一步的评估。因此，目前对水合物开采的研究除少数国家和地区进行过单井或单一井组的试开采以外，绝大部分研究还处于实验室物理模拟和数值模拟的阶段。

目前为了对这种储量巨大的能源进行开发利用，研究人员提出了很多方法：

①注热法：利用注入热水、蒸汽或者热盐水将水合物加热到平衡温度之上分解；

②降压法：将水合物藏的压力降低到平衡分解压力以下；

③化学剂法：注入化学药剂，比如甲醇或者乙二醇以改变水合物平衡生成条件。

目前的研究设备都只能在某一方面进行研制，不能全面分析水合物在生成或分解过程中相应环境的变化因素，不利于实际开采时的应用。

发明内容

本发明提供一种可实现水合物单相及两相渗透率测量，水合物注气开采模拟，水合物形成和分解模拟，水合物储层钻井污染模拟等多项实验的综合性模拟系统及其实验方法。

特别地，本发明提供一种综合性水合物模拟系统，包括：

负压样品腔，为水平摆放的金属空心管体，内部设置有与空心管体之间形成环压空间的橡胶层，用于部填充海底水合物储层泥质粉砂多孔介质，一端通过带有连通管路的密封结构密封，另一端连接对多孔介质施加轴向压力的轴压加载活塞，管体上沿轴向间隔设置有安装孔和蓝宝石可视窗，在安装孔所处的圆周上均匀设置有多个安装孔；

环压系统，通过防冻液施压对负压样品腔内环压空间加围压，以对内部的多孔介质模拟地层压力状态；

参数测量系统，安装在所述负压样品腔的各安装孔中以同时测量多孔介质在不同模拟过程中的数据，每个安装孔分别安装有测量压力的囊式测压器、测量温度的温度传感器和测量电阻的电极；

恒温系统，通过套在负压样品腔外的恒温箱来保持负压样品腔在实验时的环境温度；

真空系统，通过真空泵对负压样品腔进行抽真空，以提供干净的实验环境；

气体注入系统，通过气体压缩机向负压样品腔内注入气体以合成冷却的水合物或测量水合物储层在不同开采状态时的气体渗透率；

液体注入系统，通过恒速恒压泵向负压样品腔内注入指定的冷却液体，用于当前多孔介质合成水合物或分析当前多孔介质的液体渗透率；

注热系统，用于向负压样品腔注入热质以模拟注热开采多孔介质中水合物的过程，便于分析水合物的分解及运移状态；

钻井液循环系统，通过储液装置输出钻井液在负压样品腔管口实现环空循环流动，用于模拟分析钻井液对水合物储层导电特征的影响及污染；

回压系统，用于控制负压样品腔内的气体压力和对水合物分解产出的流体进行气液分离，并对产气产水量进行测量；

数据采集处理单元，包括带有数据处理软件的控制系统，在控制实验过程的同时对不同的实验过程实现数据采集、分析和结果输出。

在本发明的一个实施方式中，所述气体注入系统包括产生压力气体的空气压缩机，对所述空气压缩机产生的气体进行增压的气体增压泵，存储增压后的低压气体的低压储罐，存储增压后高压气体的高压储罐，根据实验要求选择低压储罐或高压储罐向负压样品腔内输入指定压力的调压阀，控制输出气体流量大小的流量控制器，冷却注入气体和液体的冷却器；在减压阀之前的气路上安装有气体润湿装置，所述气体润湿装置为装有液体的耐压容器。

在本发明的一个实施方式中，所述液体注入系统的恒速恒压泵为双缸恒速恒压泵，所述双缸恒速恒压泵通过两个缸实现单缸独立作业、双缸分别独立作业和双缸联动作业，以蒸馏水或煤油作为驱动介质输出，在输出的过程中实现对驱动介质的恒压、恒流和跟踪PLC控制；

所述液体注入系统还包括安装在所述双缸恒速恒压泵和负压样品腔之间的压力调节活塞，所述压力调节活塞包括两端开口的空心容器，在所述空心容器的两端通过外螺纹分别拧有上盖和下盖，且在所述空心容器的两端口的内部分别安装有密封堵头，在所述密封堵头远离所述空心容器的一面设置有向外凸出的连接台，在所述上盖和所述下盖上设置有供所述连接台穿过的通孔，在所述连接台上设置有轴向贯穿孔；

在空心容器的内部安装有可沿轴向移动并将空心容器内部隔离成两个独立空腔的隔板；其中一个空腔与所述双缸恒速恒压泵连通，另一个空腔与所述负压样品腔连通，与所述负压样品腔连通的空腔内注满满足水合物生成的溶液，其在另一个空腔内蒸馏水或煤油的推动下注入所述负压样品腔内。

在本发明的一个实施方式中，所述注热系统包括同时提供蒸汽和热水的蒸汽发生器，所述蒸汽发生器包括内部设置有加热腔的加热筒，加热筒的筒壁为双层空心结构，中间为热水空间，在加热腔内设置有环形或多边形直接连通筒壁内热水空间的加热管，在加热管的下方设置有加热器，上方设置有供加热管内生成的蒸汽排出的蒸汽管，在蒸汽管的输出通道上设置有调节输出温度的冷水交换区；

还包括检测各处温度的温度探头，检测输入输出压力的压力探头，向热水空间和冷水交换区供水的进水管，输出蒸汽和/或热水的出水管，以及根据指令控制预定蒸汽或热水输出的PLC控制单元，交换区通过带有控制阀的管路与热水空间连通。

在本发明的一个实施方式中，所述恒温箱内部为容纳负压样品腔的保温空间，在恒温箱的内部相对两面设置有制冷和实现箱体内热风对流的吹风机，与制冷系统连接的调节风口，所述恒温箱的内表面安装有保温层，在箱体上设置有透明观察窗和温度控制面板，在箱体内设置有支撑负压样品腔两端的轴承座。

在本发明的一个实施方式中，所述恒温箱与通过管道与所述加热系统连接，以实现相互之间的余热利用。

在本发明的一个实施方式中，所述储液装置包括存储井液的储液罐，控制井液循环流动的循环泵，对循环井液进行加温的温控仪，调节井液循环时压力的调压装置，设置在所述负压样品腔端部的模拟井口环空结构；

所述储液罐的输出口连接循环泵后与模拟井口环空结构的入口连接，模拟井口环空结构的出口与调压装置连接后与储液罐的输入口连接，所述温控仪单独与储液罐连接，所述循环泵的输出端通过支管与储液管连接。

在本发明的一个实施方式中，所述参数测量系统还包括固定座，限制片和防脱套，所述固定座密封固定在所述负压样品腔上的安装孔内且内部设置有中心通道，所述限制片为柔性圆片且设置有多个轴向贯穿插孔，其水平安装在中心通道内，所述防脱套通过外螺纹拧在中心通道的外部开口端，其前端顶紧所述限制片；所述囊式测压器、温度传感器和测量电极穿过防脱套和限制片上的插孔后伸入所述负压样品腔内，所述防脱套与所述固定座接触一端的外圆周上设置有密封件，另一端设置有防止信号线路松动的防转螺栓，所述防转螺栓的径向上设置有通孔，在所述防脱套上设置有对应的限制孔，当防转螺栓转到位后，通过固定螺栓拧入通孔和限制孔避免防转螺栓转动。

在本发明的一个实施方式中，所述限制片安装有多个，各所述限制片间隔或相互接触安装。

在本发明的一个实施方式中，所述囊式测压器包括测压管，套在测压管外部的引压管，位于引压管端部且密封容纳测压管端部的囊式隔离套，向所述引压管内注入防冻液的注入装置；所述引压管的端部外表面设置有多道径向凸环，所述囊式隔离套为一端开口的柔性套，在开口端的内表面设置有与凸环对应的凹环，所述囊式隔离套利用凹环与所述引压管上的凸环卡合后连接在一起，在内部形成容纳防冻液的保护空间。

在本发明的一个实施方式中，所述负压样品腔同一径向上的安装孔以直线对称或三角对称方式分布在所述负压样品腔的圆周上，所述安装孔的数量为8～12个，一个所述安装孔处的所述温度传感器至少设置有4个，且分别位于所述负压样品腔的半径线的1/4、2/4、3/4和轴心处。

在本发明的一个实施方式中，所述负压样品腔的密封结构包括固定在一端管口的法兰，活动密封该管口开口端的封头，所述法兰通过承压螺钉固定在管口处同时将所述封头限制在管口开口端；在所述封头上设置有多个供测试管线连接的轴向通孔，其外圆周与管口内侧壁接触的位置处设置有密封件，与多孔介质之间设置有隔离用的过滤器，同时在与多孔介质接触一端的端面上设置有将轴向通孔输出的液体分散成面输出的导流槽，所述导流槽包括环形间隔分布在该端面上的环形槽，和连通轴向通孔与各环形槽的径向槽。

在本发明的一个实施方式中，在所述负压样品腔的另一端安装有加载腔体，所述轴压加载活塞插装在加载腔体内且外圆周与所述负压样品腔的内圆周直径相同，在所述轴压加载活塞的端面与多孔介质之间设置有防止多孔介质通过的过滤器，所述加载腔体相对与所述负压样品腔连接的一端通过密封压盖将所述轴压加载活塞限制在所述加载腔体内。

在本发明的一个实施方式中，在所述负压样品腔内设置有实现稳态热丝测量的稳态测量装置，所述稳态测量装置包括插装在所述负压样品腔内且位于轴心线上的铂材热丝，套在铂材热丝外部的护套，将护套和铂材热丝两端固定在所述负压样品腔两端的封头和轴压加载活塞上的固定座；

所述固定座内部设置有轴向通孔，其通过一端的外螺纹与封头或轴压加载活塞上的安装孔连接，在安装孔内安装有挤压变形的密封压环，在固定座的另一端的外螺纹上拧有拉紧接头，在拉紧接头靠近固定座的一端安装有调节拉紧接头拉紧度的调节螺母，拉紧接头另一端的端头内安装有带开槽的倒锲挤紧环，和将倒锲挤紧环限制在拉紧接头上的收紧压帽。

在本发明的一个实施方式中，所述回压系统包括连接在负压样品腔输出水合物的管路上的回压阀，显示回压阀上压力的回压表，调节回压阀处压力在所述负压样品腔输出压力超出标准时自动泄压的回压泵和回压容器，对接收的水合物进行气液分离的气液分离器，接收分离后气体并计量的气罐，称量分离后液体的计重装置。

在本发明的一个实施方式中，所述蓝宝石可视窗相对地设置在所述负压样品腔的两侧。

在本发明的一个实施方式中，所述负压样品腔在实验时承受的驱替压力≥14～18MPa，环压≥40～50MPa。

在本发明的一个实施方式中提供一种前述综合性水合物模拟系统的实验方法，包括如下步骤：

步骤100，将所有系统通过管路和控制阀与负压样品腔进行相互独立控制连接，打开负压样品腔密封结构一端采用竖直方式装填湿性多孔介质样品，在样品与密封结构和轴压加载活塞之间放置不影响水气通过但防止样品通过的金属网和滤纸，装填完毕后锁紧密封结构同时水平放置负压样品腔；

步骤200，连接参数测量系统中的各测量组件，通过真空系统对负压样品腔进行抽真空后加环压，启动恒温系统模拟实验所需环境温度，然后根据实验目的启动相应的系统来模拟实际地层环境进行实验，其中实验目的包括：

一、通过气体注入系统对当前样品进行天然气或不同相态气体的注入，以分析不同环压下及不同含水饱和度下当前样品的渗透率和孔隙度；

二、注入液体，再注入一定压力的气体，降低实验温度，实现水合物合成；

三、通过降低系统压力以模拟水合物分解过程，同时通过蓝宝石视窗对合成的水合物样品的分布特征进行观察；

四、在水合物分解的不同阶段测量储层的也隙度、渗透率及气水相对渗透率；

五、通过井液循环系统使钻井液与负压样品腔的模拟井口环空结构进行循环流动，同时测量样品受钻井液渗透的影响状态；

六、通过加热系统对样品进行注入热气或热水，以测量水合物在注热开采方式下的分解状态；

步骤300，在各实验过程中，通过测量组件中的囊式测压器测量样品的压差值数据，通过温度传感器测量样品中水合物在生成和分解时的温度变化，通过电极测量样品的电阻率值，上述测量包括对样品水平方向上不同位置及垂直方向上不同深度的测量；

步骤400，在上述实验过程中，由加压系统通过控制负压样品腔输出压力以调节各实验过程中所需的驱替压力大小，数据采集处理单元控制各实验过程的处理步骤、数据采集和输出分析结果。

在本发明的一个实施方式中，通过获取的电阻率与饱和度之间的关系值得到样品不同区域的饱和度分布情况；通过进出口气体流量计及液体流量计值计算得到当前海底水合物储层泥质粉砂多孔介质的单相及多相渗透率。

本发明的模拟系统在能够全方位模拟天然气水合物开发，可用于我国海域天然气水合物的室内研究合成、分解天然气水合物机理，以及为掌握海域水合物试采过程中在不同开发方式、不同开发井组条件下的储层物性、温度、压力、产量变化规律等影响试采的重要敏感参数提供物理模拟方面的支撑。

可研究水合物合成和分解过程中温度场的空间分布、饱和度场的空间分布、水合物分解前沿的推进速度、水合物的分解机理等；通过控制改变生产井井底压力、注热温度等生产数据，优化开发参数；通过对比不同井网模式、井网密度条件下水合物的开采动态特征，优化井网开发方案。

可对含水合物地层的渗流性能进行测试，掌握水合物地层渗透率和饱和度关系及水和物分解对地层渗透率的影响。能模拟不同条件下钻井液侵入对水合物地层导电特性的影响，为今后水合物地层电阻率测井提供依据。还可研究减压和热采条件下水合物地层中的水气运移及水合物储层的产气量,另外可以进行室内水平井出水机理和控水、堵水工艺技术研究，观察水平井开采底水油藏时水脊脊进过程，研究水脊形成与发展机理、见水时间和采收率的变化规律。

可对含水合物地层的渗流性能进行测试，掌握水合物地层渗透率和饱和度关系及水和物分解对地层渗透率的影响。能模拟不同条件下钻井液侵入对水合物地层导电特性的影响，为今后水合物地层电阻率测井提供依据。还可研究减压和热采条件下水合物地层中的水气运移及水合物储层的产气量。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的模拟系统连接示意图；

图2是本发明一个实施方式的负压样品腔结构示意图；

图3是本发明一个实施方式的气体注入装置连接示意图；

图4是本发明一个实施方式的液体注入装置连接示意图；

图5是本发明一个实施方式的压力调节活塞的结构示意图；

图6是本发明一个实施方式的储液装置连接示意图；

图7是本发明一个实施方式的回压系统连接示意图；

图8是本发明一个实施方式的参数测量系统结构示意图；

图9是本发明一个实施方式的囊式测压器结构示意图；

图10是本发明一个实施方式的负压样品腔设置安装孔的结构示意图；

图11是本发明一个实施方式的密封结构示意图；

图12是本发明一个实施方式中封头上导流槽的结构示意图；

图13是本发明一个实施方式中轴压加载活塞的结构示意图；

图14是本发明一个实施方式的稳态测量装置结构示意图。

具体实施方式

在以下的描述中，各系统内部及与矩形腔体之间都通过带有控制阀的管路连接，除特别说明外，不再一一表明具体的连接管路和控制阀，而仅以工作过程或实验步骤进行说明。

如图1所示，本发明的一个实施方式提供一种综合性水合物模拟系统，其一般性地包括负压样品腔1、环压系统2、参数测量系统3、恒温系统4、真空系统、气体注入系统5、液体注入系统6、注热系统7、钻井液循环系统8、回压系统9和数据采集处理单元10。

如图2所示，该负压样品腔1作为模拟样品各种实验的主体，整体为水平摆放的不锈钢制作的空心管体101，内部设置有与空心管体之间形成环压空间的橡胶层，内部用于填充用于测试的海底水合物储层泥质粉砂多孔介质，管体101的一端通过密封结构105进行密封，在密封结构104上设置有连接外部各系统的管路，另一端连接对位于负压样品腔1内的多孔介质施加轴向压力的轴压加载活塞105，在管体101的圆周沿轴向间隔设置有安装孔102，而每一处安装孔102所处的圆周上均匀设置有多个安装孔102。

负压样品腔1整体采用钢管或不锈钢管制成，具体尺寸可以为φ50×1200mm，承受的压力大于实际地层处的压力，本方案中的驱替压力为16MPa左右，环压在25MPa左右。

该环压系统2通过围压泵21和储罐22向负压样品腔1的环压空间加围压，以模拟多孔介质所处地层的压力状态。

该参数测量系统3用于测量多孔介质在各系统模拟过程中的多种参数，其通过安装在负压样品腔1各安装孔102中的多个测量组件103实现测量目的，测量数据的收集和管理受数据采集处理单元10的控制，具体每个安装孔102分别安装的测量组件103包括测量压力的囊式测压器、测量温度的温度传感器和测量电阻的电极。

根据不同位置处囊式测压器获取的数据，通过两侧点之间的差压值不同可检测水合物的合成与分解情况，如果形成水合物或者该区域水合物未分解或分解的量较少，则差压值必高，反之差压值就小，因此，通过差压值读数的不同即可清楚了解反应水合物的合成情况。

通过在不同位置布置高精度温度传感器来监测和检测水合物合成与分解过程，如果水合物合成或未分解或分解的量较少，则该区域温度必低，反之温度极高。

通过饱和度电极来检测模拟过程中不同区域的电阻率值，根据电阻率与饱和度之间的关系值来推算和检测不同区域的饱和度分布情况。如果有其它需求的测量，可对安装孔102中原有的测量组件103进行更换或加装相应的测量器件。

该恒温系统4通过套在负压样品腔1外的恒温箱来保持负压样品腔1在实验时的环境温度；这里的环境温度是指地层处的温度。

该真空系统通过真空泵对负压样品腔1进行抽真空，以避免空气残留在负压样品腔1中而影响模拟实际储层的效果。

该气体注入系统5通过气体压缩机向负压样品腔1内注入气体以合成水合物或测量水合物储层在不同开采状态时的气体渗透率。如通过注入等温单相甲烷气并精确测量出口的气体流量，并依据达西定律可测量气体渗透率。

该液体注入系统6通过恒速恒压泵向负压样品腔1内注入指定的液体，用于当前多孔介质合成水合物或分析当前多孔介质的液体渗透率。如通过注入等温水流体并精确测量出口的液体流量，可依据达西定律测量得到液体渗透率。

该注热系统7用于向负压样品腔1注入热质以模拟注热开采多孔介质中水合物的过程，以研究减压和热采条件下水合物地层中的水气运移及水合物储层的产气量，进而分析水合物的分解及运移状态。

该钻井液循环系统8通过储液装置输出钻井液在负压样品腔1管口实现环空循环流动，以模拟分析钻井液对水合物储层导电特征的影响及污染。具体可模拟不同条件下钻井液侵入对水合物地层导电特性的影响，为今后水合物地层电阻率测井提供依据。

该回压系统9用于控制负压样品腔1内的气体压力和对水合物分解产出的流体进行气液分离，并分别对产生的气体和液体进行测量。

该数据采集处理单元10包括带有数据处理软件的控制系统，控制系统可以是PC机、工控机等具备数据处理和分析功能的设备。控制系统通过数据处理软件控制实验过程的同时对不同的实验过程实现数据采集、分析和结果输出。

本方案中，负压样品腔1、参数测量系统3和数据采集处理单元10构成基本的实验结构，其它各个系统同时通过相应的管路与负压样品腔1连通，在需要时可通过数据采集处理单元10单独进行控制，以实现不同的模拟过程，在模拟某个具体过程时，其它不需要参与的系统由相应的控制阀进行隔离。

在模拟时，可通过换装不同类型沉积物来测定不同多孔介质的渗透率，通过现有的分析方法即可对各模拟过程中的各种数据进行分析和总结，从而获取选择储层在不同模拟实验中的所有数据信息，为实际开采提供可信的依据。通过精确控制进入负压样品腔1的气体及液体注入量，同时精确计量负压样品腔1出口的气体和液体量，即可推算多孔介质孔隙内的气水饱和度。通过监测负压样品腔1中不同位置水合物的生成情况以及注热开采过程中水合物的分解情况，可分析实验过程中多孔介质内温度、压力曲线的变化，以及根据气相与多孔介质中温度的微小差异来确定水合物的生成和分解，从而得出不同介质中天然气水合物的P-T平衡和分解条件。

本实施方式模拟多孔介质水合物样品的分解过程可实现动态特性测定和静态特征测定，其中动态特征测定可在控制水合物样品降压或注热分解条件下，对水合物分解过程，含沉积物水合物样品的不同部分的气、水渗透率、气水相对渗透率、导热系数的动态变化进行测量和研究。而静态特性测定可在控制水合物样品不分解的条件下，对合成的含沉积物水合物样品的不同部分的气、水渗透率及气水相对渗透率，以及导热系数进行原位测量。

本实施方式的整个系统能够原位对不同类型的海底水合物沉积样品模拟合成，确定合成过程中水合物样品的孔隙率、气-水-水合物饱和度及其分布特征，并对不同气、水饱和度，不同类型沉积物的渗透率及导热系数进行原位测量。

以下对前述各子系统的结构给出具体的说明，整个模拟系统中的各子系统通过一根主管或是相应的支管与负压样品腔1连通，而数据采集处理单元10则通过信号线接收和控制各子系统的工作过程，这部分可采用任何现有方案实现，在以下的描述中不再说明，仅以各子系统包含的部件及相互连接关系进行说明。

气体注入系统5的连接示意如图3所示，其包括产生压力气体的空气压缩机501，对空气压缩机501产生的气体进行增压的气体增压泵502，存储增压后低压气体的低压储罐503，存储增压后高压气体的高压储罐504，根据实验要求选择低压储罐503或高压储罐504向负压样品腔1内输入指定压力的调压阀505，和控制输出气体流量大小的流量控制器506，冷却气体和液体的冷却器508；在调压阀505之前的气路上安装有气体润湿装置507，该气体润湿装置507为装有液体的耐压容器，使通过的气体自然润湿。

冷却器508用于冷却注入负压样品腔1中的气体和液体，经过冷却处理后气体和液体不会对负压样品腔1内的水合物平衡状态产生破坏。

空气压缩机501可选用型号为GCS50的产品，其设计压力为1.0MPa，流量为0.465m3/min，空气压缩机501还可用于整个管路系统的清洗扫气。

该气体增压泵502可选用SITEC型气气增压泵，型号为GBD60，增压比60:1，最大出口压力498Bar，最大流量40L/min。

低压储罐503主要用于贮存空气压缩机501增压后的空气，需要满足如下条件：容积0.1m³，工作压力0.8MPa，设计压力1MPa。高压储罐502需要满足如下：容积2000mL，最大工作压力50MPa。

调压阀505除包括手动调压阀外，还有相应的压力指示表，主要用于将增压后的高压气体(天然气)调整到所需的工作压力。其中手动调压阀最大入口压力为50MPa，出口压力在0～40MPa之间可调。

流量控制器506采用布朗克高压流量计，其最大工作压力为40MPa，带通讯接口，可与数据采集处理单元10实现通讯连接。

液体注入系统6的连接结构如图4所示，液体注入系统6的恒速恒压泵601采用HAS-200HSB型双缸恒速恒压泵，用于驱替介质定量注入，为试验提供动力源。其工作压力为50MPa，流速0.01～20mL/min，具有压力保护及位置上下限保护，泵头材料采用316L，该泵配置通讯口，可与数据采集处理单元10连接，其两个缸可实现单缸独立作业、双缸分别独立作业和双缸联动作业。具体以蒸馏水或煤油作为驱动介质输出，在输出的过程中实现对驱动介质的恒压、恒流和跟踪PLC控制。

在双缸恒速恒压泵601和负压样品腔1之间并联安装有两台压力调节活塞602，在每个压力调节活塞602的两端分别安装有四通阀603，四通阀603既可输出气液，同时还方便接入其它管线，如清洗管线。压力调节活塞602的容积为2000mL，工作压力50MPa，材质为316L。压力调节活塞602作为注入液和驱替液的隔离和储能缓冲及传输。在筒体内表面做平滑处理，以减小内壁摩擦力。

如图5所示，每台压力调节活塞602包括两端开口的空心容器6021，在空心容器6021的两端通过外螺纹分别拧装有上盖6022和下盖6023，且在空心容器6021的两端口的内部分别安装有密封堵头6024，在密封堵头6024远离空心容器6021的一面设置有向外凸出的连接台6025，在上盖6022和下盖6023上设置有供连接台6025穿过的通孔6026，在连接台6025上设置有轴向贯穿孔6027；在空心容器6021的内部安装有可沿轴向移动并将空心容器6021内部隔离成两个独立空腔的隔板6028；其中一个空腔与双缸恒速恒压泵601连通，另一个空腔与负压样品腔1连通，与负压样品腔1连通的空腔内注满满足水合物生成的溶液，另一个空腔内为蒸馏水或煤油，蒸馏水或煤油在双缸恒速恒压泵601的压力下推动隔板6028移动，以将另一腔体中的溶液注入负压样品腔1内。

加热系统7包括同时提供蒸汽和热水的蒸汽发生器701，蒸汽发生器701包括内部设置有加热腔的加热筒，加热筒的筒壁为双层空心结构，中间为热水空间，在加热腔内设置有环形或多边形直接连通筒壁内热水空间的加热管，在加热管的下方设置有加热器，加热器可利用电热方式对加热管进行加热，使其内部的热质由液体变成蒸汽。在加热筒的上方设置有供加热管内生成的蒸汽排出的蒸汽管，在蒸汽管的输出通道上设置有调节输出温度的冷水交换区；冷水交换区通过低温水调节输出的蒸汽温度，这里的低温水即可以某个范围内的水，如10℃水，也可以是进入加热管前的热质，以便提前吸收相应热量而减少后期加温时间。

此外，在蒸汽发生器701上还安装有检测各处温度的温度探头，检测输入输出压力的压力探头，向热水空间和冷水交换区供水的进水管，输出蒸汽和/或热水的出水管，以及根据指令控制预定蒸汽或热水输出的PLC控制单元。冷水交换区可通过带有控制阀的管路与热水空间连通，以在需要时将直接将加热后的冷却水直接输入加热管中。

如图6所示，储液装置8具体包括存储井液的储液罐801，控制井液循环流动的循环泵802，对循环井液进行加温的温控仪803，调节井液循环时压力的调压装置804，设置在负压样品腔1端部的模拟井口环空结构805。

储液罐801的输出口连接循环泵802后与模拟井口环空结构805的入口连接，模拟井口环空结构805的出口与调压装置804连接后与储液罐801的输入口连接，温控仪803单独与储液罐801连接，循环泵802的输出端通过支管与储液管801连接。

储液罐801采用带盖的可拆卸结构，容积为1000mL，最大工作压力25MPa，温控仪803的温度调控范围在室温-50℃左右。循环泵802的注入最大压力25MPa，流量范围控制在0.5～10mL/min。

本实施方式中的恒温箱内部为容纳负压样品腔的保温空间，在恒温箱的内部相对两面设置有制冷和实现箱体内热风对流的吹风机，和与制冷系统连接的调节风口，在恒温箱的内表面安装有保温层，在箱体上设置有透明观察窗和温度控制面板，在箱体内设置有支撑负压样品腔两端的轴承座。

恒温箱在工作时利用加热用热循环系统和制冷用冷循环系统调整负压样品腔的环境温度。控温范围：-20℃～130℃，控温精度：±0.5℃。

该恒温箱还可通过管道与加热系统连接，以实现相互之间的余热利用。

如图7所示，回压系统9包括连接在负压样品腔1输出水合物的管路上的回压阀901，显示回压阀901上压力的回压表902，调节回压阀901处压力在负压样品腔1输出压力超出标准时自动泄压的回压泵903和回压容器904，对接收的水合物进行气液分离的气液分离器905，接收分离后气体并计量的气罐906，称量分离后液体的计重装置907。

如图8所示，参数测量系统3为方便固定相应的测量组件，在安装孔102内安装有固定座301，限制片302和防脱套303，负压样品腔1上的安装孔102为圆形的通孔，固定座301的内部设置有中心通道，其密封固定在安装孔102内，具体固定方式可以是焊接或是螺纹拧接。

限制片302为柔性或金属圆片且设置有多个轴向贯穿插孔，轴向贯穿插孔用于使各测量组件的线缆通过，其水平安装在中心通道内，限制片302可根据密封要求使用一个或多个，各个限制片302可相互叠加安装，对穿过的线缆形成弹性固定，同时方便调整相应测量组件的测量位置。

防脱套303同样是一个中间带有供线缆通过的中心通道的管形结构，其通过外螺纹拧在固定座301中心通道的外部开口端的内螺纹上，防脱套303的前端可通过拧紧的深度顶紧限制片302以防止限制片302轴向移动。

囊式测压器306、温度传感器307和测量电极305穿过防脱套303和限制片302上的通孔后伸入负压样品腔1内；为提高连接处的耐压性能，防脱套303与固定座301接触一端的外圆周上可设置密封件308；在防脱套303的另一端设置有防止信号线路松动的防转螺栓304，该防转螺栓304的径向上设置有通孔，在防脱套303上设置有对应的限制孔，当防转螺栓304转到位后，可通过固定螺栓拧入通孔和限制孔来避免防转螺栓304相对防脱套303转动。

如图9所示，本实施方式中的囊式测压器306包括测压管3061，套在测压管3061外部的引压管3062，位于引压管3062端部且密封容纳测压管3061端部的囊式隔离套3063，向引压管3062内注入防冻液的注入装置；测压管3061将接收的插入处多孔介质的压力传递至外部连接的压力传感器，压力传感器通过自备的数显二次表直接进行显示，或传递至数据收集处理单元10处。引压管3062用于保护测压管3061，内部的防冻液可防止测压管3061被多孔介质处的低温冻结。囊式隔离套3063可在测压管3061的端部形成一个充满防冻液的受压腔体3064，以精确传递承受的压力至测压管3061。

在引压管3062的端部外表面设置有多道径向凸环3065，囊式隔离套3063为一端开口的柔性套，在开口端的内表面设置有与凸环3065对应的凹环3066，囊式隔离套3063利用凹环3066与引压管3062上的凸环3065套插后卡合在一起，在防止脱落的同时可在内部形成容纳防冻液的保护空间。

如图10所示，负压样品腔1上安装孔102的数量，可根据测量的精度及不同位置的测量要求进行数量和位置设置，如本实施方式在负压样品腔同一径向上的安装孔102设置2～3个，各安装孔102以直线对称或三角对称方式分布在负压样品腔1的圆周上，而在轴向上可设置8～12个安装孔102的位置，总体上安装孔102的数量可达到16～36个。

此外，一个安装孔102处的温度传感器307可至少设置4个，同一安装孔102中的各温度传感器307根据负压样品腔1的内侧壁至轴心处的距离，可分别位于半径线的1/4、2/4、3/4和轴心处；同样，囊式测压器306和电极305也可以按同样的方式进行安装，从而能够测量到多孔介质轴向上的压差、温差和电阻率值差。而在同一位置则可测量到不同深度的压差、温差和电阻率值差。

如图2、11所示，为方便负压样品腔1两端的拆装和密封，该负压样品腔1的密封结构104可包括固定在负压样品腔1一端管口外的法兰1041，活动密封该管口开口端的封头1042，封头1042用于将内部的多孔介质堵住，法兰1041通过承压螺钉固定在负压样品腔1的管口处同时将封头1042限制在管口开口端处。

在封头1042上设置有多个供不同系统的测试管路连接的轴向通孔1043，封头1042外圆周与管口内侧壁接触的位置处设置有密封件，与多孔介质之间设置有隔离用的过滤器1044，同时在与多孔介质接触一端的端面上设置有将轴向通孔1043输出的液体分散成面输出的导流槽，导流槽包括环形间隔分布在该端面上的环形槽1045，和连通轴向通孔1043与各环形槽1045的径向槽1046，参见图12。

在安装时，当多孔介质填装完毕后，可在多孔介质的端部放置过滤器1044，然后再安装封头1042，最后用法兰1041固定整个端部。这里的过滤器1044可以包括滤纸和金属滤网，滤纸先放置在多孔介质上，再放置金属滤网。滤纸和金属滤网的目数至少需防止多孔介质通过，但不能影响气体或液体通过。

由封头1042上轴向通孔1042进入的液体或是气体，进入负压样品腔1后会先通过封头1042上的径向槽1046进入各环形槽1045，然后再通过过滤器1044以面的形式进入多孔介质，使气体或液体能够均匀与多孔介质接触，真实模拟实际地层情况。

如图13所示，位于负压样品腔1的另一端安装有容纳轴压加载活塞1051的加载腔体1052，轴压加载活塞1051插装在加载腔体1052内并可沿加载腔体1052的轴向移动，轴压加载活塞1051的外圆周与负压样品腔1的内圆周直径相同，在轴压加载活塞1051的端面与多孔介质之间同样设置有防止多孔介质通过的过滤器1044，加载腔体1052远离负压样品腔1的一端通过密封压盖1053将轴压加载活塞1051限制在加载腔体1052内。

轴压加载活塞1051在液压或机械压力下在加载腔体1052的内部轴向移动，向多孔介质施加轴向压力，以对多孔介质模拟实际储层处的地层压力。

在本发明的一个实施方式中，在负压样品腔1内还设置有实现稳态热丝测量的稳态测量装置103，该稳态测量装置103包括插装在负压样品腔1内且位于轴心线上的铂材热丝1031，套在铂材热丝外部的护套1032，将护套1032和铂材热丝1031两端固定在负压样品腔1两端的封头104和轴压加载活塞1051上的固定座1033。

铂材热丝1051通电后，可由多孔介质轴心线处进行加热，并向圆周方向递进，护套1052能够防止外部的液体或多孔介质与铂材热丝1031直接接触，透过在多孔介质不同位置、不同深度处布置的温度传感器307可测量升温速率，进而测试水合物的导热系数。

如图14所示，具体的固定座结构如下：固定座1033为圆柱形结构，固定座1033的内部设置有轴向通孔，两端设置有外螺纹，其通过一端的外螺纹与封头1042或轴压加载活塞1051上的安装孔连接，在安装孔内安装有受挤压后变形以增强密封效果的密封压环1034，在固定座1033另一端的外螺纹上拧有拉紧接头1035，在拉紧接头1035靠近固定座1033的一端安装有调节拉紧接头1035拉紧度的调节螺母1036，拉紧接头1035另一端的端头内安装有带开槽的倒锲挤紧环1037，和将倒锲挤紧环1037限制在拉紧接头1035上的收紧压帽1038。

通过拉紧接头1035可以调整铂材热丝1031的松紧度，同时不会影响收紧压帽1038的固定效果。

为方便观察模拟过程和使用观察设备，在负压样品腔的相对两侧设置有对称的观察窗，在观察窗104上安装有方便红外线直接观察的蓝宝石玻璃。

在本发明的一个实施方式中，公开一种前述实验系统的实验方法，一般包括如下步骤：

步骤100，根据试验需要将相应设备和负压样品腔进行选用连接，打开负压样品腔密封结构一端采用竖直方式装填湿性多孔介质样品，在样品与密封结构和轴压加载活塞之间放置不影响水气通过但防止样品通过的金属网和滤纸，装填完毕后锁紧密封结构同时水平放置负压样品腔；

这里的相应设备连接既可以是同时连接好所有用于不同模拟效果的系统，然后根据需要打开相应的系统，也可以是仅安装相应需求的系统。连接各系统时需要注意各控制阀的关闭和密封。

步骤200，连接参数测量系统，通过真空系统对负压样品腔进行抽真空后加环压，启动恒温系统模拟实验所需环境温度，然后通过启动不同的系统来模拟相应的地层环境进行相应的实验，其中实验的目的包括：

一、通过气体注入系统对当前样品进行天然气或不同相态气体的注入，以分析不同环压下及不同含水饱和度下当前样品的渗透率和孔隙度；

二、注入液体，再注入一定压力的气体，降低实验温度，实现水合物合成；

三、通过降低系统压力以模拟水合物分解过程，同时通过蓝宝石视窗对合成的水合物样品的分布特征进行观察；

四、在水合物分解的不同阶段测量储层的也隙度、渗透率及气水相对渗透率；

五、通过井液循环系统使钻井液与负压样品腔的模拟井口环空结构进行循环流动，同时测量样品受钻井液渗透的影响状态；

六、通过加热系统对样品进行注入热气或热水，以测量水合物在注热开采方式下的分解状态；

该步骤中的各个实验目的，不需要同时实现，可根据实验目的分别进行。

步骤300，通过参数测量系统中的囊式测压器测量样品在轴向上的压差值数据，通过温度传感器测量样品中水合物在生成和分解时的温度变化，通过电极测量样品轴向上不同位置及同一位置不同深度的电阻率值，并通过电阻率与饱和度之间的关系值获取样品不同区域的饱和度分布情况；通过进出口气体流量计及液体流量计值计算得到当前海底水合物储层泥质粉砂多孔介质的单相及多相渗透率；

步骤400，在上述实验过程中，由加压系统通过控制负压样品腔输出压力以调节各实验过程中所需的驱替压力大小，处理单元控制各实验过程的处理步骤、数据采集和输出分析结果。

本方法可通过不同的系统组合或独立实现不同的模拟实验过程，通过换装不同类型沉积物来测定不同多孔介质的渗透率，通过现有的分析方法对各模拟过程中的各种数据进行分析和总结，从而获取选择储层在不同模拟实验中的所有数据信息，为实际开采提供可信的依据。通过精确控制进入矩形模拟腔的气体及液体注入量，同时精确计量矩形模拟腔出口的气体和液体量，即可推算多孔介质孔隙内的气水饱和度。通过监测负压样品腔中不同位置水合物的生成情况以及注热开采过程中水合物的分解情况，可分析实验过程中多孔介质内温度、压力曲线的变化，以及根据气相与多孔介质中温度的微小差异来确定水合物的生成和分解，从而得出不同介质中天然气水合物的P-T平衡和分解条件。

具体每个模拟实验的过程都与前述模拟系统的相同，这里就不再重复。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。